Ang mga amino acid ay ang mga pangunahing bahagi ng mga protina at mahalagang bahagi ng mga tisyu ng tao, na gumaganap ng papel ng transduction ng signal ng cell, regulasyon ng aktibidad ng enzyme, immune function at iba pang mga physiological function.

Ang kasaganaan ng mga amino acid sa mga selula ay kadalasang nagbabago sa iba't ibang physiological at pathological na estado. Samakatuwid, kung paano nararamdaman ng katawan ang pagbabago ng antas ng amino acid at gumagawa ng adaptive na tugon ay isang mahalagang siyentipikong problema ng metabolic stress at cell fate.

Ang abnormal na amino acid sensing ay malapit na nauugnay sa cancer, diabetes, neurodegenerative na sakit at proseso ng pagtanda. Samakatuwid, ang paggalugad sa molecular mechanism ng abnormal na amino acid induction ay maaaring magbigay ng bagong target para sa pag-iwas o paggamot ng mga metabolic na sakit at cancer. Ang Valine, bilang isang mahalagang branched-chain amino acid, ay gumaganap ng mahalagang papel sa synthesis ng protina, neurobehavior, at pag-unlad ng leukemia. Gayunpaman, ang mekanismo at pag-andar ng cellular sensing ng valine ay nananatiling hindi malinaw.

Noong Nobyembre 20, 2024, nag-publish ang team ni Wang Ping mula sa Tongji University School of Medicine / 10th Affiliated People's Hospital ng research paper na pinamagatang "Human HDAC6 senses valine abundancy to regulate DNA damage" sa journal Nature.

Tinukoy ng pag-aaral na ito ang isang nobelang valine-specific sensor, human deacetylase HDAC6, at inihayag ang tiyak na mekanismo kung saan ang paghihigpit ng valine ay humahantong sa nuclear translocation ng HDAC6, at sa gayon ay pinapahusay ang aktibidad ng TET2 at nagdudulot ng pinsala sa DNA.

Kapansin-pansin, ang mekanismo ng sensing na ito ay natatangi sa mga primate, at ang karagdagang pagsusuri ng mekanismo ay nagsiwalat na ang primate HDAC6 ay naglalaman ng isang tiyak na serine-rich glutamate-tetranectide (SE14) na paulit-ulit na domain at nararamdaman ang kasaganaan ng valine sa pamamagitan ng domain na ito. Sa mga tuntunin ng paggamot sa tumor, ang katamtamang paghihigpit ng valine o kumbinasyon ng mga inhibitor ng PARP ay maaaring epektibong pigilan ang paglaki ng tumor.

Ang pag-aaral na ito ay nagpapakita ng isang mekanismo ng nobela kung saan ang nutritional stress ay kinokontrol ang pinsala sa DNA sa pamamagitan ng epigenetic modification, at nagmumungkahi ng isang nobelang diskarte para sa paggamot sa tumor na may valine-restricted diet na sinamahan ng mga PARP inhibitors.

Karaniwang kailangang pagsamahin ng mga sensor ng amino acid ang mga amino acid upang makilala at tumugon sa mga pagbabago sa konsentrasyon ng amino acid sa loob at labas ng cell, upang maisagawa ang kanilang sensing function.

Upang sistematikong makilala ang mga protina na nagbubuklod ng valine, ginamit ang biotinylated valine probes para sa mga eksperimento sa immunocoprecipitate na sinamahan ng mass spectrometry, at ang walang pinapanigan na screening ng mga valine-binding na protina ay isinagawa ng kemikal na biology.

Nalaman ng mga may-akda na bilang karagdagan sa kilalang valyl tRNA synthetases (VARS), ang deacetylase HDAC6 ay nagpakita ng mas malakas na kapasidad ng pagbubuklod ng D-valine kumpara sa VARS. Kinumpirma pa ng mga may-akda na ang HDAC6 ay maaaring direktang magbigkis ng valine na may pagkakaugnay ng Kd ≈ 2μM sa pamamagitan ng mga eksperimento na nagbubuklod ng isotope, mga eksperimento sa isothermal titration calorimetry (ITC) at mga eksperimento sa thermal drift. Ang pagsusuri ng mga istrukturang katangian ng mga amino acid na kinikilala ng mga sensing protein ay nakakatulong upang higit na maunawaan ang molekular na mekanismo ng pagbabago ng kasaganaan ng amino acid na dulot ng mga selula. Sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga nagbubuklod na eksperimento ng valine analogues, nalaman ng mga may-akda na kinikilala ng HDAC6 ang carboxyl terminal at side chain ng valine at kayang tiisin ang pagbabago ng amino terminal. Bilang karagdagan, sa HDAC6 knockout cells, ang regulasyon ng mTOR signaling pathway sa pamamagitan ng valine restriction ay hindi gaanong naiiba sa control group, na nagmumungkahi na ang pagbubuklod na ito ay naiiba sa tradisyonal na amino acid sensing signaling pathway.

Upang galugarin ang mahalagang domain at function ng HDAC6 sensing valine. Natukoy pa ng mga may-akda na ang HDAC6 ay nagbubuklod sa valine sa pamamagitan ng SE14 na domain nito sa pamamagitan ng HDAC6 truncated body binding experiment. Nakakagulat, ang mga may-akda ay natagpuan sa pamamagitan ng paghahambing ng homology na ang SE14 domain ay naroroon lamang sa HDAC6 sa mga primata. Hindi tulad ng primate (tao at unggoy) HDAC6, ang mouse HDAC6 ay hindi nakagapos sa valine. Ang paghahanap na ito ay nagpapakita ng mga pagkakaiba sa pagitan ng iba't ibang mga species sa valine induction, na nagmumungkahi na ang ebolusyon ng species ay may mahalagang papel sa amino acid induction.

Batay sa konklusyon na ang HDAC6 ay direktang nagbubuklod sa valine sa pamamagitan ng SE14 na domain nito, ang mga may-akda ay nag-isip na ang mga pagbabago sa lakas ng pagbubuklod ng HDAC6 at valine ay maaaring makaapekto sa istraktura at paggana nito kapag ang kasaganaan ng valine sa mga cell ay nagbabago. Sa pamamagitan ng isang serye ng mga eksperimento at pinagsama sa panitikan sa mahalagang papel ng SE14 domain sa cytoplasmic retention ng HDAC6, natuklasan ng mga may-akda na ang intracellular valine deficiency ay maaaring mag-udyok ng HDAC6 translocation sa nucleus. Ang aktibong rehiyon ng enzyme (DAC1 at DAC2) ay nagbubuklod sa aktibong rehiyon (CD domain) ng DNA hydroxymethylase TET2, na nagpo-promote ng deacetylation ng TET2, at pagkatapos ay ina-activate ang aktibidad ng enzyme nito. Gamit ang mga diskarte sa methylomics tulad ng WGBS, ACE-Seq at MAB-Seq, lalo naming nakumpirma na ang intracellular valine na gutom ay maaaring magsulong ng aktibong DNA demethylation sa pamamagitan ng HDAC6-TET2 signal axis. Noong nakaraan, natuklasan ng pangkat ni Andre Nussenzweig na ang thymine DNA glycosylase (TDG) -dependent na aktibong DNA demethylation ay nagresulta sa pagkasira ng DNA single-strand sa neuronal enhancer. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng TET2 ChIP-Seq sa high-throughput sequencing technology na END-Seq at ddC S1 END-Seq, natukoy namin na ang kakulangan sa valine ay nagtataguyod ng pinsala sa DNA. Ang pinsala sa DNA na dulot ng kakulangan sa valine ay nakasalalay din sa solong strand na pinsala na dulot ng TDG excision ng oxymethylcytosine (5fC/5caC).

Pinagsama-sama, natuklasan ng mga may-akda ang mga nobelang valine sensor at sa unang pagkakataon ay pinaliwanag ang molekular na mekanismo kung saan nililimitahan ng valine ang induction ng pagkasira ng DNA sa pamamagitan ng HDAC6-TET2-TDG signaling axis, na nagdaragdag ng bagong dimensyon sa pag-unawa sa pag-andar ng amino acid stress sa cell fate determination.

Ang paghihigpit sa pagkain o pag-target ng metabolismo at pag-sensing ng amino acid ay naging isang pandagdag na diskarte para sa pagpapalawig ng buhay at paggamot ng maraming sakit, kabilang ang cancer. Dahil ang pag-agaw ng valine ay maaaring magdulot ng pinsala sa DNA, ang mga may-akda ay nag-imbestiga pa kung ang paghihigpit ng valine ay may papel sa paggamot sa kanser. Sa isang colorectal cancer xenograft tumor model, ang naaangkop na valine-restricted diet (0.41% valine, w/w) ay makabuluhang humadlang sa paglaki ng tumor na may mas kaunting side effect. Sa parehong mga grupo ng pag-iwas at paggamot, ang mga may-akda ay higit na nagpakita na ang isang valine-restricted diet ay humadlang sa tumorigenesis at pag-unlad gamit ang isang colorectal cancer na modelo ng PDX. Sa mga sample ng tumor, ang mga nabawasan na antas ng valine ay positibong nauugnay sa pagtaas ng HDAC6 nuclear translocations, 5hmC na antas, at pagkasira ng DNA. Dahil ang pag-udyok sa pagkasira ng DNA ay isang anticancer therapy, klinikal na posible na harangan ang pagkumpuni ng DNA sa pamamagitan ng paggamit ng mga PARP inhibitor. Nalaman ng mga may-akda na ang kumbinasyon ng valine-restricted diet at PARP inhibitor talazoparib ay makabuluhang pinahusay ang antitumor effect, na nagbibigay ng matibay na ebidensya para sa therapy upang gamutin ang kanser sa pamamagitan ng pag-udyok sa pinsala sa DNA.

Sa konklusyon, natuklasan ng pag-aaral na ang HDAC6 sa primates ay isang nobelang valine sensing protein na independyente sa mga tradisyonal na sensor, na nagpapakita ng mga pagkakaiba sa valine sensing sa iba't ibang species, na nagpapahiwatig ng mahalagang papel ng biological evolution sa amino acid sensing.

Bilang karagdagan, ang pag-aaral na ito ay nagpapaliwanag ng isang bagong mekanismo ng interactive na regulasyon ng nutritional metabolic stress, epigenetic regulation at DNA damage, nagpapalawak ng kahalagahan ng nutritional metabolic stress sa stress biology, at nalaman na ang kumbinasyon ng valine-restricted diet at PARP inhibitors ay maaaring gamitin bilang isang bagong diskarte para sa paggamot sa kanser.